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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung
elektrischer Energie in Kleinkraftwerksanlagen, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und 9.
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Einrichtungen
dieser Art werden im Zusammenhang mit Wärmepumpen oder
der Nutzung anderer alternativer Primärenergieformen immer
wichtiger. Dies steht wiederum in direktem Zusammenhang mit der
aktuellen Klimadiskussion. Darüber hinaus besteht nach
wie vor Bedarf, den Wirkungsgrad solcher Kleinkraftwerksanlagen
zu verbessern, wie sie beispielsweise auch als Blockheizkraftwerke
bekannt sind, und Wärme und elektrische Energie gleichermaßen
erzeugen können.
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Elektrische
Energie wird ausserdem auch in mobilen Anlagen, bspw im Baustellenbereich
benötigt. Ansonsten gibt es auch Insellösungen
für die elektrische Energie-Versorgung einer lokalen Einrichtung,
die ansonsten keinen Einspeiseanschluß ins öffentliche
Stromnetz aufweisen.
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In
Verbindung mit Kleinkraftwerken in Wohnhäusern oder landwirtschaftlichen
Betrieben kann neben der eigenen Nutzung der elektrischen Energie auch
eine Einspeisung der Überschüsse an erzeugter
elektrischer Energie ins öffentliche Netz lukrativ sein.
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Bei
Windkraftanlagen, oder Solar- oder Biogasanlagen mit ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Einheiten
steht die Energie und damit die Drehzahl der Generatoren nicht auf
konstantem Niveau. Bei Windkraft wird dies ggfs über Getriebe
gelöst, die jedoch energieaufzehrend sind und den Wirkungsgrad
solcher Anlagen stark beeinträchtigen.
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Aus
der
US 2007/0101735
A1 ist eine Wärmepumpensteuerung mit Generator
bekannt. Hierbei erfolgt eine Drehzahlsteuerung zur Vergleichmäßigung
der am Generator erhaltenen Spannung, sowie eine entsprechende Umrichtung
von Wechselspannung zu Gleichspannung und umgekehrt. Hierbei ist eine
ausschließliche Steuerung über solche Mittel jedoch
nicht effektiv genug.
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Dabei
wird die am Generator anliegende elektrische Energie zunächst
in einem Gleichrichter gleichgerichtet um sie einem Akkumulator
zuzuführen und speichern zu können. Dabei dient
der Akkumulator nicht als ausschließlich als Speicher,
sondern sozusagen als Spannungsschwankungspuffer. Danach wird die
Spannung wieder umgerichtet, die Spannungshöhe geregelt
etc.
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All
dies ist mit der ausschließlichen Intention nur die Schwankungen
der Ausgangsspannung des Generators auszugleichen viel zu aufwändig,
und ausserdem auch wirkungsgradreduzierend.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung sowie
ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend
weiterzuentwickeln, dass bei direktem elektrischen Energiebedarf
eine wirkungsgradstabile Bereitstellung elektrischer Energie gegeben
ist, die ausserdem weitestgehend spannungsstabil ist.
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Die
gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
2–8 angegeben.
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Hinsichtlich
eines Verfahrens ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 9 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Kern
der Erfindung ist, dass parallel zu den Mitteln zur elektrischen
Zwischenspeicherung der Energie ein Schalter/Umschalter liegt, über
welchen wahlweise oder zusätzlich der Wechselstromausgang
der elektrischen Energieerzeugung und der Externwechselstromanschluss
direkt zusammenschaltbar sind.
- 1. Option: Der
Ausgang der Energieerzeugung, bspw des Generator wird ausschließlich über Gleichrichtung
auf den Akkumulator geschaltet und zwischen gespeichert, und anschließend über
einen DC/DC- Wandler transformiert auf eine stabile elektrische Spannung
und sodann über einen Wechselrichter wieder zu Wechselstrom
gewandelt, der dann am Externwechselstromanschluss anliegt.
- 2. Option: Der Ausgang der Energieerzeugung wird über
dem Schalter bzw Umschalter direkt auf den Wechselstromausgang des
Externwechselstromanschluss geschaltet.
- 3. Option: Option 1 und Option 2 werden parallel betrieben.
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Mit
dieser wahlweisen Umschaltbarkeit wird erreicht, dass beispielsweise
Kleinkraftwerksanlagen, wie Solar-, Wind-, Biogas- und fossile Brennstoffkraftwerksanlagen
leicht im Inselbetrieb und bedarfsweise optimal betrieben werden
können. Solche Kleinkraftwerksanlagen unterliegen stark
schwankendem Energiebedarf, vor allem wenn sie lokal betrieben werden.
Um dem Rechnung zu tragen werden die Schaltzustände im
Bedarfsfall so gewählt, dass optimale d. h. wirkungsgradoptimierte
Energienutzung vorliegt. Der bekannte Fall, mit Gleichrichtung,
Akku-Ladung, Gleichstrom/Gleichstrom-Umspannung (über DC/DC-Wandler)
und wieder anschließender Wechselrichtung ist stark wirkungsgradherabsetzend
weil viele thermische Verluste entstehen, und ist nur dann von Vorteil,
wenn Energie erzeugt, die aber aktuell nicht abgefragt und deshalb gespeichert
wird.
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Wird
an der Kleinkraftwerksanlage aber aktuell Energie abgerufen, so
ist es wesentlich vorteilhafter dann auf direkte Zusammenschaltung
der Wechselstromanschlüsse umzuschalten und keine Akkumulatoren
zu laden oder über diese einen energiegepuffterten Dauerbetrieb
zu fahren.
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Entweder
wird der elektrische Ausgang der Energieerzeugung, bspw des Generators
im Zwischenspeicherbetrieb über Gleichrichtung betrieben, wobei
In
vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Umschalter ein
einphasiger Umschalter ist. Dies ist relevant, wenn der Generator
lediglich ein einphasiger Wechselstromgenerator ist.
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Alternativ
dazu kann der Generator auch ein dreiphasiger Wechselstromgenerator,
also ein Drehstromgenerator sein. Dazu ist es natürlich
zwingend, dass der Umschalter ein dreiphasiger Umschalter ist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestatung ist angegeben, dass die Energieerzeugung
und die Betätigung des Umschalters von einer gemeinsamen
Steuer- und Regeleinrichtung steuerbar sind. Auf diese Weise kann
die Überwachung der Ausgangsspannung am Generator direkt
mit der Ansteuerung der Umschaltung logisch verknüpft werden.
Das heisst, wenn die Spannungsschwankungen, d. h. das ΔU einstweilen
außerhalb der Schwankungstoleranz ist, und dies womöglich über
eine Zeit ΔT hinaus, so kann die Steuerung sofort das Steuersignal
für den Umschalter bzw für den Antrieb des Umschalters
generieren, zumindest solange bis die Spannung wieder innerhalb
der Schwankungstoleranz liegt.
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Auf
diese Weise wird eine auf alle Fälle weitestgehend stabile
Ausgangsspannung am Externwechselstromanschluss geliefert. Dies
weil entweder die dort anliegende Wechselspannung direkt vom Ausgang
des Generator herübergebrückt wird, oder im Falle
von Schwankungen über die Akkumulatorladung spannungsstabil
gepuffert wird.
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Erheblich
vorteilhaft ist es, wenn die Größen ΔU
und ΔT einstellbar sind. Auf diese Weise lassen sich diese
Werte, die sodann in die Regelung bzw Steuerung eingehen, an die
jeweils technischen Bedürfnisse eines Betreibers anpassen.
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Neben
dieser Umschaltung kann aber auch auf die Generatordrehzahl Einfluss
genommen werden. Hierfür, wird wie nachfolgend noch näher
beschrieben, die Turbine bzw. die Turbinenzuströmung entsprechend
geregelt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Umschalter über
die Steuerung betätigbar ist, derart, dass die am Wechselstromausgang
der elektrischen Energieerzeugung anliegende Spannung bzw anliegenden
Spannungen über elektrische Spannungsmesser ermittelbar
sind, und hierüber der elektrische Energieerzeugungsprozess spannungsstabil
regelbar ist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der jeweilige
aktuelle Betriebsstatus „Direkt-" oder „Akkumulator-"-Betrieb
auf einem Display anzeigbar ist. Hierüber kann der aktuelle
Betriebszustand erkannt werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass über
einen handbetätigten Schalter oder eine Fernbedienung vom
automatisch generierten Umschaltbetrieb auf manuellen Umschaltbetrieb umschaltbar
ist. Es gibt Betriebsweisen, wie beispielsweise das Anfahren einer
solchen Einrichtung in der das notwendig oder vorteilhaft ist.
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Im
Hinblick auf ein erfindungsgemäßes Verfahren besteht
der Kern der Erfindung darin, dass parallel zu den Mitteln zur elektrischen
Zwischenspeicherung der Energie ein Schalter/Umschalter liegt, über
welchen wahlweise oder zusätzlich der Wechselstromausgang
der elektrischen Energieerzeugung und der Externwechselstromanschluss
direkt zusammenschaltbar sind, und dass der Umschaltvorgang in Abhängigkeit
zur Stabilität der am Wechselstromausgang der elektrischen
Energieerzeugung anliegenden elektrischen Spannung zugeschaltet
wird. Nach diesem Verfahren arbeitet letzlich die genannte Einrichtung
auch vorteilhaft.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Betätigung
der Umschaltung in Abhängigkeit zu dem an den Klemmen des
Wechselstromausganges der elektrischen Energieerzeugung gemessenen
Spannung erfolgt, derart, dass bei Auftreten von Schwankung der
elektrischen Spannung ausserhalb einer Schwankungstoleranz von ΔU über einen
Zeitraum von mehr als ΔT der Umschalter so betätigt
wird, dass die Energieversorgung auf die über den Akkumulator
und die Um- und Wechselrichter geführte Stromversorgung
automatisch geschaltet wird.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Drehzahl
des Generators so geregelt wird, dass die Schwankungen innerhalb
von ΔU und ΔT bleiben.
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Ferner
ist vorteilhaft, wenn der Beströmungsprozess einer den
Generator antreibenden Turbine in Abhängikeit der an den
Klemmen des Wechselstromausganges der elektrischen Energieerzeugung
gemessenen Spannung U derart geregelt wird, dass die am besagten
Wechselstromausgang anliegende elektrische Spannung innerhalb einer Schwankungsbreite
von ΔU bleibt.
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Vorteilhaft
ist hierbei ein Spannungsschwankungswert von ΔU bei +/–15
Volt.
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Ebenso
vorteilhaft aber auch nur beispielhaft ist es, wenn das Zeitfenster
innerhalb der Spannungsschwankungen oberhalb von |ΔU| liegen,
bei ΔT = 10 Sekunden liegt.
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Eine
letzte sehr vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Spannungsschwankungswerte
bzw die zugehörigen Grenzwerte zu ΔU sowie das Zeitfenster ΔT
einstellbar ist, mit der Wirkung, wie oben bereits ausgeführt.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
Ausführungsbeispiel
-
2:
Detail zur Drehzahlsteuerung des Generator.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung.
Am elektrischen hier 3-phasigen Wechselstromausgang 10 des
Generators 1 ist in erfindungsgemäßer
Weise der Umschalter 6, der ebenfalls 3-phasig angelegt
ist, und somit aus drei Wechselschaltkontakten besteht, angeordnet.
Mit Hilfe des Umschalters 6, dessen Schaltkontakte über
den Umschalterantrieb 7, bspw eine Magnetspule betätigt werden,
können die 3 Phasen des Ausganges 10 wahlweise
entweder direkt auf den Ausgang des Wechselerichters 11 geschaltet
werden, und wahlweise über die Lade und Umrichterschaltung
mit Gleichrichter 2, Akkumulator 3, DC/DC-Wandler 4 und
Wechselrichter 5.
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Im
erstgenannten Fall wird der Ausgang 10 des Generators 1 damit
ausgangsseitig zum Wechselrichter geschaltet, d. h der Ausgang des
Generators wird direkt ins 3-Phasen-Netz geschaltet, ohne dass eine
Spannungspufferung und parallele Ladung über den Akkumulator
erfolgt.
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Im
hier dargestellten Fall, d. h. in dem hier gezeigten Schaltzustand
des Umschalters 6 liegt die Ausgangsspannung des Generators 1 direkt
am 3-phasigen Gleichrichter 2 an, der aus dem Wechselstrom,
bzw der Wechselspannung eine Gleichspannung macht. Der Ausgang des
Gleichrichters 2 liegt dabei an dem Akkumulator 3 an
und läd diesen. Parallel an den Kontakten +/– der
Akkumulators 3 liegt ein DC/DC-Wandler 4, der
bei schwankenden Spannungswerten die Spannung auf ein in etwa gleiches Spannungsniveau
ausregelt. Der Ausgang des DC/DC-Wandlers liegt dabei wiederum am
Eingang des Wechselrichters 5 an, der daraus wieder eine 3-phasige
Wechselspannung generiert und diese am Ausgang 11 ausspeist.
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Hierbei
ist die Schaltung nur prinzipiell dargestellt, denn die Gleichrichtung
von 3-phasigem Wechselstrom, d. h. Drehstrom ist nicht trivial.
Ebenso ist die Wechselrichtung eine Drehstromes aus einem Gleichstrom
bzw eine 3-phasige Wechselspannung aus einer Gleichspannung schaltungstechnisch nicht
unaufwändig.
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Für
den Fall, dass am Generator 1 erzeugte Energie nicht sofort
genutzt wird, ist aber die Nutzung dieser Schaltung als Lade- und
Speichervorgang sinnvoll. Dieser Betriebsmodus ist auch sinnvoll, wenn
die Generatorausgangsspannung sehr stark schwankend ist. Dabei kann
der Akkumulator und der DC/DC-Wandler als eine Art Puffer eingesetzt
werden.
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In
der hier dargestellte Verschaltung ist jedoch auch eine weitergehende
Betriebsweise beschreibbar. Der Umschalter 6 wird über
eine Antrieb betätigt, der aus einem Elektromagneten, d.
h. einen Solenoiden bestehen kann. Dies erfolgt hierbei über eine
zentrale Steuerung 12. Diese Steuerung liest ausserdem
vom Generator 6 auf allen Phasen die aktuell anliegende
Spannung, durch Spannungssensoren aus, die nachfolgend noch beschrieben
werden. Mit Hilfe der Logik in der Steuerung 12 kann abhängig
von den Spannungsschwankungen am Ausgang 10 des Generators 1 über
die oben beschriebene Auswertung von ΔU und ΔT
dann der Umschalter 6 bzw der Antrieb 7 des Umschalters
automatisch betätigt werden.
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So
schaltet dieser beispielsweise bei in den genannten Grenzen stabiler
Ausgangsspannung, den Ausgang 10 des Generators 1 direkt
auf den Ausgang des Wechselrichters 11. D. h. die elektronischen
Komponenten 2, 4, und 5 sind überbrückt.
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Liegt
die Spannungsschwankung aber ausserhalb der Toleranzbreiten, und
wird diese über die Spannungssensoren am Generator 1 an
die Steuerung gemeldet, bzw dort gemessen, so generiert die Steuerung 12 eine
Steuersignal auf den Antrieb 7 und betätigt damit
den Umschalter 6 so, dass der Ausgang 10 des Generators über
die Komponenten 2, 3, 4, und 5 umgeschaltet
wird.
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Neben
dieser an die Spannungsschwankung gekoppelten automatischen Umschaltung
kann es auch eine Umstellung der Steuerung auf manuelle Umschaltung
geben.
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Eine
weitere erweiterte Funktionsweise ist in der nur im Detail dargestellten
Prinzipstruktur gemäß 2 zu sehen.
Der Generator 1 bzw der hier nicht sichtbare Rotor im Innernen
des Generators 1 wird über eine Turbine 17 rotationsmäßig
angetrieben. Zusätzlich kann die Drehzahl durch einen Drehzahlsensor 14 erfasst
werden. So wird der Wert des Drehzahlsensors 14 in die
Steuerung 12 eingelesen. Ferner werden die Spannungssensorwerte
der Spannungssensoren 15 auf allen Phasen des Drehstromausganges
in die Steuerung 12 eingelesen, und zwar im gesamten laufenden
Betrieb des Generators 1. Neben der in 1 bereits
beschriebenen Funktionsweise kann die Steuerung 12 den
Antrieb 7 des Umschalters 6 betätigen,
und die in der Beschreibung zu 1 dargelegte
Umschaltung generieren. Zusätzlich oder anstatt kann nun
die Steuerung auch ein Stellsignal für einen Zuführsteller 16 zur
Turbine generieren. Über diesen Zuführsteller 16 kann
dann die Drehzahl des Generators beeinflusst werden. So z. B. indem
die Zufuhr von Druckmedium erhöht oder abgesenkt wird.
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Ausserdem
kann die Ansteuerung des Zuführstellers auch sinnbildlich
für die gesamte Möglichkeit der Einflussnahme
auf die Turbinendrehzahl stehen.
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Hierzu
einige Beispiele.
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Bei
einem Blockheizkraftwerk könnte dies auch die Wärmezuführregelung
für einen Verdampfer sein, auf den Einfluss genommen wird,
um letztendlich eine gewünschte und gleichlaufende Generatordrehzahl über
die Steuerung 12 zu regeln.
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Es
könnte hierbei sogar die Einflussnahme auf die primäre
Wärmeerzeugung aus der Brennstoffzufuhr, oder der Abwärmezufuhr,
oder sogar der initialen in situ Biogasproduktion sein.
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Alle
diese Einflussnahmen sind mit der erfindungsgemäßen
Verschaltung und logischen Einbindung möglich.
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- 1
- Generator
- 2
- Gleichrichter
AC/DC
- 3
- Akkumulator
- 4
- DC/DC-Wandler
- 5
- Wechselrichter
DC/AC
- 6
- Umschalter
- 7
- Antrieb
für Umschalter
- 10
- Ausgang
Generator
- 11
- Ausgang
Wechselrichter
- 12
- Steuerung
- 13
- Display
- 14
- Drehzahlsensor
- 15
- Spannungssensor
- 16
- Zuführsteller
für Turbine
- 17
- Turbine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0101735
A1 [0006]